Three.js 实现简单的PCD加载器

1 功能实现

实现效果：

brief

初始会显示我们之前 SfM 做出的点云，包括相机位置
可以点击右上角加载你本地的PCD文件
可以通过选择多个文件加载多个点云并显示在同一场景中
可以通过左上角的控制界面查看/调整点云的属性，如点大小、颜色等
可以通过右上角的控制界面选择旋转 / 显示点云颜色（只有有颜色数据的PCD点云在开启该选项后会显示原本的颜色，其他的会消失）
窗口大小变化时，渲染器和相机会自动适应新的窗口尺寸

2 具体实现

本项目是基于 Three.js 实现的简单一个Web应用程序，用于可视化三维点云数据。具体目的包括：

使用Three.js库创建三维场景
实现点云数据的加载、显示和交互控制
实现的用户界面（GUI）设置和控制
处理多个点云数据的加载和展示

使用 VSCode 的 Live Serve 搭建网络编程的环境，采用CDN的方式引入 Three.js (版本：r158)

2.1 html

<!DOCTYPE html>
<html>

<head>
	<meta charset="utf-8">
	<title>PCD visulize</title>
	<style>
		body {
			margin: 0;
		}
	</style>
</head>

<body>

	<script type="importmap">
		{
		  "imports": {
			"three": "https://cdn.jsdelivr.net/npm/three@0.158.0/build/three.module.js",
			"three/addons/": "https://cdn.jsdelivr.net/npm/three@0.158.0/examples/jsm/"
		  }
		}
	  </script>

	<script type="module" src="js/main.js"> </script>
</body>

</html>

2.2 js

在 js 文件中就是我们的主要实现内容了

2.2.1 引入

由之前的 html 文件中定义的 importmap，其定义了：three和three/addons/，我们就可以采用官方的 import 路径了，之后要改变引入 Three.js 的方式也只需要在 importmap 中修改即可

import * as THREE from 'three';
import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';
import { PCDLoader } from 'three/addons/loaders/PCDLoader.js';
import { GUI } from 'three/addons/libs/lil-gui.module.min.js';

2.2.2 Three.js 三大件

场景（Scene），相机（Camera），渲染器（Renderer）

同时设置窗口被调整大小时，使画布，相机自适应改变

const scene = new THREE.Scene();

const camera = new THREE.PerspectiveCamera(80, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.01, 10000000);
camera.position.set(0, 0, 10);

const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

// onresize 事件会在窗口被调整大小时发生
window.onresize = function () {
    // 重置渲染器输出画布，相机
    renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
    camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;
    camera.updateProjectionMatrix();
};

2.2.3 GUI

创建一个用于调整与点云相关参数的图形用户界面

初始化了一个 GUI 实例，然后定义了一个 resetGUI 函数，该函数销毁现有的 GUI 并创建一个新的 GUI —— 为了之后选择新文件时刷新GUI

var gui = new GUI();
var attributesFolder = gui.addFolder('点云设置');
gui.domElement.style.left = '0px';

function resetGUI() {
    // 删除之前的GUI
    gui.destroy();

    // 创建一个新的GUI实例
    gui = new GUI();
    // gui.add(isRotation, 'bool').name('旋转');
    attributesFolder = gui.addFolder('点云设置');
    gui.domElement.style.left = '0px';
}

2.2.4 初始点云显示

创建了四个辅助相机并将它们添加到场景中；为每个辅助相机应用了一个变换矩阵，这个矩阵定义了相机的位置和方向

没什么用，之后加载其他pcd时就会被删除，主要拿来应付一下实验要求的
加载了一个点云文件，并将其添加到场景中
在 GUI 中添加了一个文件夹，用于显示和修改点云的属性
创建了四个 camera helper 并将它们添加到场景中

// 创建四个透视相机 ———— 作为生成该点云的相机展示
var helpCamera = [];
for (let i = 0; i < 4; i++) {
    helpCamera[i] = new THREE.PerspectiveCamera(60, 1, 0.1, 0.4);
    scene.add(helpCamera[i]);
}

// 用SfM中de'dao定义相机变换矩阵，并应用到相应的相机上
const transformMatrix0 = new THREE.Matrix4();
// ... (矩阵参数)
helpCamera[0].applyMatrix4(transformMatrix0);

// 同理，为其他相机定义矩阵并应用
// transformMatrix1, transformMatrix2, transformMatrix3

// 创建点云加载器
const loader = new PCDLoader();
// 加载点云模型
loader.load("./images/point_cloud.pcd", function (points) {
    // 将点云几何居中并绕X轴旋转180度
    points.geometry.center();
    points.geometry.rotateX(Math.PI);

    // 创建点云材质
    const material = new THREE.PointsMaterial({ color: 0xffffff, size: 0.08, vertexColors: true });

    // 创建点云对象
    const pointCloud = new THREE.Points(points.geometry, material);
    scene.add(pointCloud);

    // 使四个相机朝向点云
    for (let i = 0; i < helpCamera.length; i++) {
        helpCamera[i].lookAt(pointCloud.position);
    }

    // 在 GUI 中添加点云相关设置
    const folder = attributesFolder.addFolder(`点云 0`);
    const text = { pointsNum: points.geometry.attributes.position.count, file: "初始pcd" };
    folder.add(text, 'file').name('文件');
    folder.add(text, 'pointsNum').name('点数');
    folder.add(material, 'size', 0, 2).name('点大小');
    folder.addColor(material, 'color').name('点颜色');
    folder.add(material, 'vertexColors').name('显示顶点颜色').onChange(function () {
        material.needsUpdate = true; // 需要手动更新材质，否则没作用
    });

    // 为每个相机创建CameraHelper对象并显示出来
    const helpers = [];
    for (let i = 0; i < 4; i++) {
        helpers[i] = new THREE.CameraHelper(helpCamera[i]);
        scene.add(helpers[i]);
    }
});

2.2.5 上传显示PCD

文件选择和按钮：
- 创建了一个按钮和一个 input 元素，用于触发文件选择
- 按钮的点击事件触发了 input 的点击，以便用户选择文件

// 用于控制是否旋转的变量
const isRotation = { bool: false };

// 创建文件选择的 input 元素和按钮
const input = document.createElement('input');
const button = document.createElement('button');
button.textContent = '选择文件 (可选择多个)';
button.style.position = 'absolute';
button.style.top = '10px';
button.style.right = '10px';

// 当按钮被点击时触发文件选择
button.onclick = function () {
    input.click();
};
document.body.appendChild(button);

// 配置 input 元素的属性
input.type = 'file';
input.accept = '.pcd';
input.multiple = true;
input.style.display = 'none';

文件选择回调函数：

当文件选择发生变化时，触发了 onchange 事件，对选中的每个文件进行处理
清除场景中之前的点云和相机助手 CameraHelper
对选中的每个文件，使用 FileReader 读取文件内容，然后使用 PCDLoader 加载点云数据
加载后，对点云进行几何变换，创建点云材质，以及相应的点云对象

// 当文件选择发生变化时触发的回调函数
input.onchange = function (event) {

    // 获取选中的文件列表
    const files = event.target.files;
    const materials = [];
    const pointClouds = [];

    // 清除场景中所有点云和CameraHelper
    for (let i = 0; i < scene.children.length; i++) {
        const object = scene.children[i];
        scene.remove(object);
    }

    for (let i = 0; i < 4; i++) {
        scene.remove(helpers[i]);
    }

    // 遍历选中的每个文件
    for (let i = 0; i < files.length; i++) {
        const file = files[i];
        const reader = new FileReader();

        // 读取文件
        reader.readAsDataURL(file);
        reader.onload = function () {
            const data = reader.result; // data 就是该文件的 URL

            // 使用 PCDLoader 加载点云数据
            const loader = new PCDLoader();
            loader.load(data, function (points) {
                // 移除场景中的第一个对象（之前的点云）
                scene.remove(scene.children[0]);

                // 对点云进行一些几何变换
                points.geometry.center();
                points.geometry.rotateX(Math.PI);

                // 创建点云材质
                var material = new THREE.PointsMaterial({ color: Math.random() * 0xffffff, size: 0.1, vertexColors: false });
                materials.push(material);

                // 创建点云对象
                const pointCloud = new THREE.Points(points.geometry, material);
                pointClouds.push(pointCloud);

                // 当所有点云数据都加载完成后
                if (pointClouds.length === files.length) {
                    // 将所有点云添加到场景中
                    for (let j = 0; j < pointClouds.length; j++) {
                        scene.add(pointClouds[j]);
                    }

                    // 重置 GUI
                    resetGUI();

                    // 在 GUI 中添加是否旋转的控制按钮
                    gui.add(isRotation, 'bool').name('旋转');

                    // 为每个点云创建 GUI 控件
                    for (let j = 0; j < materials.length; j++) {
                        const material = materials[j];
                        const points = pointClouds[j];
                        const file = files[j];

                        // 为每个点云创建一个文件夹
                        const folder = attributesFolder.addFolder(`点云 ${j + 1}`);

                        // 添加文件和点数信息到 GUI
                        const text = { pointsNum: points.geometry.attributes.position.count, file: file.name };
                        folder.add(text, 'file').name('文件');
                        folder.add(text, 'pointsNum').name('点数');

                        // 添加控制点云的点大小、颜色等属性到 GUI
                        folder.add(material, 'size', 0, 2).name('点大小');
                        folder.addColor(material, 'color').name('点颜色');
                        folder.add(material, 'vertexColors').name('显示顶点颜色').onChange(function () {
                            material.needsUpdate = true; // 手动更新材质
                        });
                    }

                    // 设置相机的位置为点云的中心，再向后移动一段距离
                    const box = new THREE.Box3().setFromObject(scene);
                    const center = box.getCenter(new THREE.Vector3());
                    const size = box.getSize(new THREE.Vector3());
                    camera.position.copy(center);
                    camera.position.z += size.length();
                    camera.lookAt(center);
                }
            });
        };
    }
};

2.2.6 主循环

一个简单的主循环

function animate() {
    // 如果 isRotation.bool 为真，则在每一帧中旋转场景
    if (isRotation.bool) {
        scene.rotation.y += 0.005;
    }

    // 渲染场景
    renderer.render(scene, camera);

    // 通过递归调用自身，实现持续动画
    requestAnimationFrame(animate);
}

// 初始调用动画函数
animate();

2.3 完整代码（js）

html 的代码之前已经完整给出，下面为 main.js 的完整代码：

import * as THREE from 'three';
import { OrbitControls } from 'three/addons/controls/OrbitControls.js';
import { PCDLoader } from 'three/addons/loaders/PCDLoader.js';
import { GUI } from 'three/addons/libs/lil-gui.module.min.js';

const scene = new THREE.Scene();

const camera = new THREE.PerspectiveCamera(80, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.01, 10000000);
camera.position.set(0, 0, 10);

const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

// 简单文字介绍放在页面最上端
const title1 = document.createElement('h4');
title1.textContent = 'PLUS-WAVE\'s PCD加载器';
title1.style.position = 'absolute';
title1.style.top = '1%';
title1.style.left = '42%';
title1.style.color = 'white';
document.body.appendChild(title1);

const title2 = document.createElement('h5');
title2.innerHTML = '点击右上角按钮选择文件<br>(看不见点云的话记得改改颜色或者缩放)';
title2.style.position = 'absolute';
title2.style.top = '4%';
title2.style.left = '41%';
title2.style.color = 'white';
title2.style.textAlign = 'center';
document.body.appendChild(title2);

const controls = new OrbitControls(camera, renderer.domElement);

var gui = new GUI();
var attributesFolder = gui.addFolder('点云设置');
gui.domElement.style.left = '0px';


function resetGUI() {
    // 删除之前的GUI
    gui.destroy();

    // 创建一个新的GUI实例
    gui = new GUI();
    // gui.add(isRotation, 'bool').name('旋转');
    attributesFolder = gui.addFolder('点云设置');
    gui.domElement.style.left = '0px';

}

// 创建四个透视相机 ———— 作为生成该点云的相机展示
var helpCamera = [];
for (let i = 0; i < 4; i++) {
    helpCamera[i] = new THREE.PerspectiveCamera(60, 1, 0.1, 0.4);
    scene.add(helpCamera[i]);
}

// 用SfM中de'dao定义相机变换矩阵，并应用到相应的相机上
const transformMatrix0 = new THREE.Matrix4();
transformMatrix0.set(
    0.9635227966591445, -0.0298251417806896, -0.2659591721221557, -3.1861460134378618,
    0.04168012934974072, 0.9983679551673119, 0.03904091331448917, -0.0658694912288581,
    0.264360714054735, -0.04870202267670474, 0.963193400024973, 1.701830863209624117,
    0, 0, 0, 1
);
helpCamera[0].applyMatrix4(transformMatrix0);

const transformMatrix1 = new THREE.Matrix4();
transformMatrix1.set(
    0.8671344194352608, -0.01285630331924969, -0.4979082386300075, -1.981515886805006,
    0.03166906549661311, 0.9990671872561505, 0.02935686697614572, -0.0212592897059282,
    0.4970663626933977, -0.04122463842227529, 0.8667326925100427, 2.75149718348900723,
    0, 0, 0, 1
);
helpCamera[1].applyMatrix4(transformMatrix1);

const transformMatrix2 = new THREE.Matrix4();
transformMatrix2.set(
    0.7024094659673048, -0.007144654873624021, -0.711737238049452, -2.685856668225444,
    0.09031055886130245, 0.9927625554048429, 0.07916130079909767, -0.0514197827631538,
    0.7060204990492023, -0.1198810347502172, 0.6979710541487608, 2.332535510893329,
    0, 0, 0, 1
);
helpCamera[2].applyMatrix4(transformMatrix2);

const transformMatrix3 = new THREE.Matrix4();
transformMatrix3.set(
    0.5308375671028522, 0.00925889315102485, -0.8474230054995811, -3.381832006499801,
    0.1320681431688673, 0.9868199683489367, 0.09351125936341173, -0.0917595736102196,
    0.8371197542241209, -0.1615568722321077, 0.5226183063406084, 1.036010012067961,
    0, 0, 0, 1
);
helpCamera[3].applyMatrix4(transformMatrix3);


const helpers = [];

// 创建点云加载器
const loader = new PCDLoader();
// 加载点云模型
loader.load("./images/point_cloud.pcd", function (points) {
    // 将点云几何居中并绕X轴旋转180度
    points.geometry.center();
    points.geometry.rotateX(Math.PI);

    // 创建点云材质
    const material = new THREE.PointsMaterial({ color: 0xffffff, size: 0.08, vertexColors: true });

    // 创建点云对象
    const pointCloud = new THREE.Points(points.geometry, material);
    scene.add(pointCloud);

    // 使四个相机朝向点云
    for (let i = 0; i < helpCamera.length; i++) {
        helpCamera[i].lookAt(pointCloud.position);
    }

    // 在 GUI 中添加点云相关设置
    const folder = attributesFolder.addFolder(`点云 0`);
    const text = { pointsNum: points.geometry.attributes.position.count, file: "初始pcd" };
    folder.add(text, 'file').name('文件');
    folder.add(text, 'pointsNum').name('点数');
    folder.add(material, 'size', 0, 2).name('点大小');
    folder.addColor(material, 'color').name('点颜色');
    folder.add(material, 'vertexColors').name('显示顶点颜色').onChange(function () {
        material.needsUpdate = true; // 需要手动更新材质，否则没作用
    });

    // 为每个相机创建CameraHelper对象并显示出来
    const helpers = [];
    for (let i = 0; i < 4; i++) {
        helpers[i] = new THREE.CameraHelper(helpCamera[i]);
        scene.add(helpers[i]);
    }
});


// 用于控制是否旋转的变量
const isRotation = { bool: false };

// 创建文件选择的 input 元素和按钮
const input = document.createElement('input');
const button = document.createElement('button');
button.textContent = '选择文件 (可选择多个)';
button.style.position = 'absolute';
button.style.top = '10px';
button.style.right = '10px';

// 当按钮被点击时触发文件选择
button.onclick = function () {
    input.click();
};
document.body.appendChild(button);

// 配置 input 元素的属性
input.type = 'file';
input.accept = '.pcd';
input.multiple = true;
input.style.display = 'none';

// 当文件选择发生变化时触发的回调函数
input.onchange = function (event) {

    // 获取选中的文件列表
    const files = event.target.files;
    const materials = [];
    const pointClouds = [];

    // 清除场景中所有点云和CameraHelper
    for (let i = 0; i < scene.children.length; i++) {
        const object = scene.children[i];
        scene.remove(object);
    }

    for (let i = 0; i < 4; i++) {
        scene.remove(helpers[i]);
    }

    // 遍历选中的每个文件
    for (let i = 0; i < files.length; i++) {
        const file = files[i];
        const reader = new FileReader();

        // 读取文件
        reader.readAsDataURL(file);
        reader.onload = function () {
            const data = reader.result; // data 就是该文件的 URL

            // 使用 PCDLoader 加载点云数据
            const loader = new PCDLoader();
            loader.load(data, function (points) {
                // 移除场景中的第一个对象（之前的点云）
                scene.remove(scene.children[0]);

                // 对点云进行一些几何变换
                points.geometry.center();
                points.geometry.rotateX(Math.PI);

                // 创建点云材质
                var material = new THREE.PointsMaterial({ color: Math.random() * 0xffffff, size: 0.1, vertexColors: false });
                materials.push(material);

                // 创建点云对象
                const pointCloud = new THREE.Points(points.geometry, material);
                pointClouds.push(pointCloud);

                // 当所有点云数据都加载完成后
                if (pointClouds.length === files.length) {
                    // 将所有点云添加到场景中
                    for (let j = 0; j < pointClouds.length; j++) {
                        scene.add(pointClouds[j]);
                    }

                    // 重置 GUI
                    resetGUI();

                    // 在 GUI 中添加是否旋转的控制按钮
                    gui.add(isRotation, 'bool').name('旋转');

                    // 为每个点云创建 GUI 控件
                    for (let j = 0; j < materials.length; j++) {
                        const material = materials[j];
                        const points = pointClouds[j];
                        const file = files[j];

                        // 为每个点云创建一个文件夹
                        const folder = attributesFolder.addFolder(`点云 ${j + 1}`);

                        // 添加文件和点数信息到 GUI
                        const text = { pointsNum: points.geometry.attributes.position.count, file: file.name };
                        folder.add(text, 'file').name('文件');
                        folder.add(text, 'pointsNum').name('点数');

                        // 添加控制点云的点大小、颜色等属性到 GUI
                        folder.add(material, 'size', 0, 2).name('点大小');
                        folder.addColor(material, 'color').name('点颜色');
                        folder.add(material, 'vertexColors').name('显示顶点颜色').onChange(function () {
                            material.needsUpdate = true; // 手动更新材质
                        });
                    }

                    // 设置相机的位置为点云的中心，再向后移动一段距离
                    const box = new THREE.Box3().setFromObject(scene);
                    const center = box.getCenter(new THREE.Vector3());
                    const size = box.getSize(new THREE.Vector3());
                    camera.position.copy(center);
                    camera.position.z += size.length();
                    camera.lookAt(center);
                }
            });
        };
    }
};



// onresize 事件会在窗口被调整大小时发生
window.onresize = function () {
    // 重置渲染器输出画布，相机
    renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
    camera.aspect = window.innerWidth / window.innerHeight;
    camera.updateProjectionMatrix();
};



function animate() {
    // 如果 isRotation.bool 为真，则在每一帧中旋转场景
    if (isRotation.bool) {
        scene.rotation.y += 0.005;
    }

    // 渲染场景
    renderer.render(scene, camera);

    // 通过递归调用自身，实现持续动画
    requestAnimationFrame(animate);
}

// 初始调用动画函数
animate();

上篇递归下降语法分析实验实现

下篇Three.js+pcl.js 实现Web端的点云处理+显示